A Dynamic Simulation for Small Turboshaft Engine with Free Power Turbine Using The CMF Method

CMF 기법을 이용한 소형 분리축 방식 터보축 엔진의 동적모사

A steady-state and dynamic simulation program for a small multi-purpose turboshaft engine with the free power turbine was developed. In order to reduce developing cost, time and risk, a turbojet engine whose performance was well-known was used for the gas generator, and life time was improved by replacing turbine material and by using Larson-Miller curves. The component characteristic of the power turbine was derived from scaling the gas generator turbine. Equilibrium equations of mass flow rate and work were used for the steady-state performance analysis, and the Constant Flow Method(CMF) was used for the dynamic performance simulation. The step fuel scheduling was carried out for acceleration in the dynamic simulation. Through this simulation, it was found that the overshoot of the turbine inlet temperature exceeded over the compressor turbine limit temperature.

다목적으로 활용할 수 있는 터보축엔진의 개발을 위한 정상상태 및 동적모사 프로그램을 개발하였다. 개발비, 개발시간, 개발위험도의 절감을 위해 가스발생기 부분은 성능이 잘 알려진 기존의 터어보제트 엔진을 활용하였으며 수명연장을 위해 터빈재질을 교체하고, Larson-Miller 곡선을 이용하여 약 3000hr 이상의 수명을 확보하기 위한 최대회전속도와 최대 터빈입구온도를 결정하였다. 추가되는 동력터어빈의 구성품 성능선도는 압축기 터어빈의 성능선도를 축척하여 사용하였다. 정상상태 성능해석에는 유량 및 일평형 방정식을 이용하였으며, 가스발생기와 동력터빈의 공회전 상태에서부터 최대 회전속도까지 동력터빈은 10% 간격, 가스발생기는 5%RPM 간격으로 해석하였다. 동적모사시에는 일정유량평형방법(Constant Flow Method : CMF)을 이용하였으며, 급 가속의 상황을 가정하고 연료유량이 Step 증가하도록 Scheduling 하였다. 이 때 터빈 입구온도에 오버슈트가 발생하여 제한온도를 초과하는 것을 확인할 수 있었다.